EP2521861A2 - Solarthermisches kraftwerk mit indirekter verdampfung und verfahren zum betrieb eines solchen solarthermischen kraftwerks - Google Patents

Solarthermisches kraftwerk mit indirekter verdampfung und verfahren zum betrieb eines solchen solarthermischen kraftwerks

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EP2521861A2
EP2521861A2 EP11704059A EP11704059A EP2521861A2 EP 2521861 A2 EP2521861 A2 EP 2521861A2 EP 11704059 A EP11704059 A EP 11704059A EP 11704059 A EP11704059 A EP 11704059A EP 2521861 A2 EP2521861 A2 EP 2521861A2
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EP
European Patent Office
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steam
stage
solar thermal
heat transfer
power plant
Prior art date
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Application number
EP11704059A
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English (en)
French (fr)
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EP2521861B1 (de
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Jürgen Birnbaum
Markus Fichtner
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2521861B1 publication Critical patent/EP2521861B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
    • F03G6/067—Binary cycle plants where the fluid from the solar collector heats the working fluid via a heat exchanger
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to a solar thermal power plant with in direct evaporation, which includes a primary circuit with a heat transfer medium pipe system and at least one solar thermal see assembly for heating the heat transfer medium by solar energy, a steam secondary circuit with a steam turbine system and a ge coupled to the steam turbine system coupled generator. Moreover, the invention relates to a method for operating such a solar thermal power plant with indirect evaporation.
  • Solar thermal power plants are an alternative to her ⁇ conventional hydroelectric power, wind power, nuclear power or fossil fuels. They use solar radiation energy to generate electric power, and for example with parabolic trough collectors, Fresnel collectors or solar tower receivers as solar thermal Construction group executed.
  • Such power plants usually consist either of a sin gular working fluid circulation system in which a working fluid is evaporated directly in this circuit, or from ei ⁇ nem solar power plant part for absorbing solar energy and a second usually conventional power plant part with a by means of a working fluid ⁇ drive NEN steam turbine system.
  • a sin gular working fluid circulation system in which a working fluid is evaporated directly in this circuit, or from ei ⁇ nem solar power plant part for absorbing solar energy
  • a second usually conventional power plant part with a by means of a working fluid ⁇ drive NEN steam turbine system In the second type of power plant with two separate circulatory systems, one speaks of solar thermal power plants with indirect evaporation, since the solar energy is used here only indirectly for the evaporation of the working fluid.
  • a conventional solar thermal power plant with indirect evaporation basically consists of a solar thermal assembly, such as a solar array of parabolic trough collectors, Fresnel collectors or a tower receiver in which a heat transfer medium is heated, a heat exchanger group in the heat energy from the heat transfer medium on a Working fluid in the steam cycle, such as, a steam cycle, is transmitted, and optionally from a thermal storage.
  • a solar thermal assembly such as a solar array of parabolic trough collectors, Fresnel collectors or a tower receiver in which a heat transfer medium is heated
  • a heat exchanger group in the heat energy from the heat transfer medium on a Working fluid in the steam cycle, such as, a steam cycle, is transmitted, and optionally from a thermal storage.
  • the heat energy from the primary circuit is usually delivered in three stages from preheater, evaporator and superheater to the working fluid in the steam cycle.
  • water, air or salt melts can be used as heat transfer medium in the primary circuit so far, wherein is used as working fluid of the seconding ⁇ därnikes, the steam cycle, usually water is used.
  • the overheating of the working fluid in the steam cycle is used in the solar thermal power plants to increase the efficiency of the system and is used in the operation of steam turbines ⁇ to avoid damage to the turbine blades by condensed liquid droplets that remain after the steam generation stage in the steam.
  • a steam turbine system comprising several steam turbines.
  • parabolic trough Power plants with thermal oil as the heat transfer medium one, two or more reheating processes in the steam line system between the steam turbines with built. In this reheating process, live steam generated in the superheat stage is passed through a high pressure turbine.
  • the steam Before entering the downstream in the vapor direction working unit, such as a medium-pressure or low-pressure turbine, the steam is then passed into a reheater with one, two or more heat exchangers, where it is overheated again by hot, derived from the superheat stage nickelierime ⁇ medium.
  • a reheater with one, two or more heat exchangers, where it is overheated again by hot, derived from the superheat stage nickelieri ⁇ medium.
  • Another possible connection is to carry out, or the first interim ⁇ rule overheating stage in two apparatuses to superheat the steam for a second time in a second reheating stage between ⁇ .
  • Possible interconnection variants for solar thermal power plants with indirect evaporation and single or double reheat are shown for example in the Siemens patent applications WO 2009034577 A2 and WO 2010054911 AI. All the circuit variants described therein are incorporated herein by reference to these patents as basic interconnection variants for the present invention. It is an object of the present invention to improve the overall efficiency of a solar thermal power plant with indirect evaporation and that of a method for operating a so ⁇ larthermal power plant of the type mentioned.
  • a solar thermal power plant with indirect evaporation has at least ei ⁇ NEN primary circuit with a heat transfer medium pipe system, a steam secondary circuit with a preheating, a steam generating stage, a steam superheating stage and a steam turbine system and one with the steam turbine system directly or indirectly coupled generator for generating electrical power.
  • the primary circuit further comprises at least one solar thermal module is required, which is operative for heating the heat carrier in the primary circuit forwarded Medi ⁇ killed by means of solar energy.
  • the solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation has in the primary circuit a heat exchanger group with a heat transfer medium piping system for transmitting the heat energy from the heat transfer medium of the primary circuit to the steam superheating stage, the steam generation stage and the pre ⁇ heat level of the steam secondary circuit.
  • a heat transfer medium piping system for transmitting the heat energy from the heat transfer medium of the primary circuit to the steam superheating stage, the steam generation stage and the pre ⁇ heat level of the steam secondary circuit.
  • it includes an optimized transmission of heat energy from the primary circuit (So ⁇ larfeld Vietnamese) to the secondary circuit (water steam) by the heat transfer medium pipe system of the heat exchanger group at least one bypass line to the steam superheating stage and / or the steam generating stage of the secondary circuit ⁇ points.
  • a pipeline Understand system understood in which a partial flow of the heat transfer medium before or after the steam superheating stage from the main ⁇ mass flow of the heat transfer medium, passed to a component or an assembly or a building stage and is introduced again before the preheating in the main mass flow of the heat transfer medium.
  • the flow-around component or streamed to ⁇ assembly or construction stage is the Dampfüberhit- wetting stage (or the steam superheater) and / or the steam generating step (or the steam generator).
  • by-pass also falls when a component or a module or a construction stage is arranged in this bypass, as long as the bypass to the respective component flowed around or each flow around assembly or construction stage, but in any case before the preheating stage is introduced again into the main flow of the heat transfer medium.
  • This interconnection enables especially at higher process temperatures in the primary circuit (solar array circuit) or secondary circuit (steam circuit) a significant potential at a ⁇ tion optimization of the overall efficiency.
  • molten salt or other heat transfer media such as supercritical CO 2 , sulfur-based heat transfer media or higher-boiling thermal oils as heat transfer medium in the primary circuit of a solar thermal power plant, in particular one with parabolic trough or Fresnel collectors, being considered.
  • these heat transfer media allow higher process temperatures, but may also require, for example, higher return temperatures to the solar thermal assembly (solar field) in the primary circuit, since otherwise they crystallize out or lead to agglomerations.
  • a very critical point in the heat exchanger here is the preheating stage at which it has come with molten salts in the previous types of interconnection, such as shown in Figure 1 circuitry variant known regularly Ver ⁇ issempungen by crystallizing heat transfer media.
  • inventive interconnection of the märnikes in the heat exchanger group stuntfurtempe- the temperature above the critical temperature (crystallization temperature ⁇ tur, Verissempungstemperatur) to be raised or set, so that now also molten salt can be handled in such types of power plants.
  • higher process temperatures are possible and one reaches an optimization of the overall efficiency.
  • the water vapor secondary circuit comprises for the generation of superheated about ⁇ vapor at least one preheating stage for preheating feed water, one of the preheating stage downstream steamer ⁇ generating stage for generating steam and a steam generation step downstream steam superheating stage for Ü overheating of the steam.
  • These three stages are usually connected in series, with several such units for generating superheated steam in the secondary circuit can be connected in parallel.
  • each individual stage shown in the figures can contain not only one but also two or more preheaters or preheating units , steam generators or steam generating units and steam superheaters or steam superheating units which are guided in parallel.
  • the steam secondary circuit includes a steam turbine system which is connected to the steam superheating stage via a steam line system and in operation is supplied with superheated steam generated therein.
  • the steam turbine system may be constructed from a single steam turbine, wherein a plurality Turbi ⁇ nenmodule be used for better utilization of energy and to increase the efficiency of the usual way.
  • One, two or more mid-pressure turbines and / or low-pressure turbines can then connect in series to the high-pressure turbine (s).
  • These downstream of the high-pressure turbine (s) medium-pressure or low-pressure turbine (s) are fed with the steam from the high-pressure turbine (s), which has been overheated in a reheater with one, two or more heat exchangers between.
  • a cascade of high Pressure, medium pressure and low pressure turbines is appropriate to increase the efficiency or the overall performance of the power plant.
  • a condenser or a condenser system is connected downstream of the steam turbine system on the steam side in order to condense the steam again.
  • the system of the present invention may also include one or more bleed vapor drains. This bleed steam can be used, for example, for preheating the feedwater in a feedwater preheating system, etc.
  • the secondary circuit comprises a water supply system with a arranged between the condenser system and the preheating stage feedwater tank, which serves for storing the feedwater.
  • the water supply system summarizes the usual valves, pumps and control units that control the water supply system or the Dampflei ⁇ processing system in operation and at rest, the power plant and control the steam generation.
  • Water is used as the feed water in the system according to the invention, but other vaporizable working fluids with expedient enthalpy values can also be used.
  • Freedwater should not be construed restrictively and can generally be replaced by other working fluids.
  • a heat transfer medium is heated by solar energy using a solar thermal assembly and the heated heat transfer medium in a heat exchanger group for transferring the heat energy from the heat transfer medium to a secondary circuit during operation in a primary circuit before it is cooled fed back into the so ⁇ larthermische module.
  • feedwater from a feedwater tank in a preheating stage is preheated in the heat exchanger group, steam is generated in a steam generation stage downstream of the preheating stage, and steam is generated in one of the steam generating stages downstream steam superheating stage the steam overheated.
  • the superheated steam is fed via a steam line system to a steam turbine system directly or indirectly coupled to a generator.
  • the steam exiting the steam turbine system is condensed to water in a condenser system and returned to the feedwater tank.
  • a partial flow of the heat transfer medium of the primary circuit in the heat exchanger group is conducted via at least one bypass line around the steam superheating stage and / or the steam generation stage of the secondary circuit.
  • a core point of the idea is, therefore, to conduct a partial stream of the hot ⁇ SEN heat transfer medium in the primary circuit in a bypass line to at least the steam superheating stage or the stage around Dampferzeu ⁇ supply.
  • This makes it possible, the return ⁇ temperature of the heat transfer medium in the primary circuit at kriti ⁇ rule points at which it can come depending on the heat transfer medium to crystallization or lumps, such as the preheating or the solar thermal assembly retrograde line system above the critical temperature, ie in particular about the crystallization temperature to keep.
  • the thermal management in the heat transfer from the primary circuit to the secondary circuit ⁇ run and thus the overall efficiency of the process can be verbes ⁇ by the bypass.
  • This is achieved above all by the optimized connection of the heat exchanger group (or the heat exchanger or heat exchanger groups in the heat exchanger group) in the process and by the increase in the general process temperature that has become possible as a result.
  • the possible interconnections shown here relate, inter alia, to solar thermal power plants which are operated with salt melts as the heat transfer medium in the primary circuit, since a better optimization potential exists above all due to the higher achievable process temperatures in these power plants and operating processes.
  • the interconnections can in principle but are also used for all other heat transfer media as the primary circuit medium in a solar thermal power plant (especially based on parabolic trough technology, Fresnel collector technology or solar tower technology) or used sol ⁇ len, are applied.
  • a convenient heat transfer media for example, supercritical CO 2, are used to Schwefelverbin ⁇ decisions based heat transfer, thermal oils, etc. in these Be ⁇ operating method.
  • the heat exchanger systems can be made single-stranded (1 heat exchanger group).
  • the heat exchanger system can also be multi-stranded (at least one heat exchanger group connected in parallel) out ⁇ leads.
  • individual devices or units may be performed single-stranded or multi-stranded in the slaughter (2004) devisegrup ⁇ pen in other embodiments. Whether a single-stranded or multi-stranded design of the heat exchanger groups or of the individual apparatuses or building units is preferred depends primarily on the size of the power plant and the type of power plant per se.
  • a multi-stranded design of the heat exchanger or heat exchanger groups is expedient in particular for very large heat outputs to be transferred.
  • the dependent claims and the following description contain particularly advantageous embodiments and further developments of the invention, wherein explicitly it should be noted that the inventive method can also be developed according to the dependent claims for solar thermal power plant and vice versa.
  • a solar thermal power plant in the bypass pipe to the steam superheating stage an additional steam superheating stage, for example a reheat stage for renewed overheating from a high pressure turbine tilllei ⁇ ended exhaust steam may be disposed.
  • This superheated steam can then be reused in a medium pressure or low pressure turbine stage.
  • the bypass line instead or the steam generation stage be angeord ⁇ net addition to an additional steam superheating stage. That is, in this embodiment, in the heat exchanger group, the steam superheating stage and the steam generating stage of the secondary circuit are charged in parallel with hot heat transfer medium from the primary circuit.
  • process parameters such as a pinchpoint, can be set specifically for different process parameters.
  • an additional steam superheating stage ⁇ such as a reheat the exhaust steam from the high pressure or Mittelbuchturbinen- stage can be arranged in the bypass line to the steam generating step.
  • This interconnection of the intermediate superheating has the advantage that, to preheat the steam, first of all, according to the temperature level, colder heat transfer germedium can be used and the overheating can take place to the desired final temperature with hot heat transfer medium.
  • This interconnection of the reheat can be carried out in one apparatus or in two apparatuses. The advantage of two devices that lower heat clamping ⁇ voltages occur.
  • connection variants for increasing the overall efficiency of a solar thermal power plant can have a line around the preheating stage in the heat transfer medium line system.
  • This line around the preheating stage is not a bypass line in the sense of the prior ⁇ definition, since it is not returned before the preheating as ⁇ in the main mass flow.
  • one or more additional Damp colb ⁇ heater or a steam superheating stage, for example, for a first or second reheat are arranged.
  • This connection is adapted to be used to preheat the steam in the reheating stage of a first temperature level corresponding to the colder heat transfer medium ver ⁇ turns, before the overheating to the desired temperature Endtem ⁇ takes place with hot heat transfer medium.
  • the hot heat transfer medium can be diverted directly before the steam superheating stage or between the Dampfschreibhit ⁇ wetting stage and the steam generation stage.
  • the solar thermal power plant may also include a heat transfer medium pipe system but which has an additional line which runs ⁇ the steam superheating stage and the steam generation stage around.
  • this line can also be used with the preheating run around stage, which one does not speak of a bypass in the sense of the invention. In this can optionally be arranged to ⁇ additional steam overheating stage with, for example, one or more reheaters.
  • the additional steam superheating stage may be an interim rule ⁇ overheating stage.
  • Conventional reheat stages can be divided into first and second reheat stages.
  • the first reheat serves ge ⁇ usually way for reheating the derived from the high pressure turbine steam, which is then used in a medium or low pressure turbine.
  • the second intermediate overheating is usually used to overheat the vapor derived from the mid-pressure turbine which is then used in the low-pressure turbine.
  • An invention shown SSE preferred embodiment that the insectshit- wetting stage comprises at least two intermediate superheater stages, each of which may optionally comprise a plurality of insectsvorrichtun- gene.
  • a combination with the previous circuit variants, for example with a bypass, with or without the steam generation unit, the Dampfüberhitzungsstu ⁇ Fe or with a bypass around the steam generating stage increase the flexibility in setting the necessary process parameters and also serve to optimize the heat management , Thus, they can contribute to an increase in the overall efficiency.
  • the thermal buffer used in conventional solar thermal power plants according to the invention can be additionally arranged either ⁇ in the primary circuit and / or in the secondary circuit. These are, among others, for the storage of thermal energy in the storage mode or to Entnah ⁇ me of hot heat transfer medium or superheated steam in the withdrawal mode.
  • one or more storage tanks for the heat transfer medium upstream and / or downstream of the solar thermal assembly in the primary circuit can be arranged in a fiction, modern solar thermal power plant.
  • the solar thermal assembly may include one or more interconnected solar panels or an entire array of solar panels.
  • solar panels all commonly used collector types, such as gutter panels or Fresnel panels, in question These can be arranged depending on the sun and space requirements in series and / or series connection.
  • the solar thermal assembly may be constructed of multiple mirrors and a tower receiver for collecting solar energy.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic block diagram of a basic concept for a connection variant according to the prior art, which is conventionally used for solar thermal power plants with thermal oil as the heat transfer medium in the primary circuit and includes a reheat with, L4
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a conceivable simple circuit variant for solar thermal power plants, which comprises two storage tanks for heat transfer media in the primary circuit,
  • Figure 3 is a schematic block diagram of a first embodiment of a solar thermal according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of a second alternative embodiment of a solar thermal power plant with indirect evaporation and simple reheat according to the invention, in which the steam generation stage is arranged in the bypass around the steam superheating stage.
  • FIG. 5 shows a schematic block diagram of a third alternative exemplary embodiment of a solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation and close reheat, in which a bypass is arranged around the steam generation stage,
  • FIG. 6 shows a schematic block diagram of a further alternative embodiment of a solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation and simple reheat, in which both a bypass is arranged around the steam superheating stage and around the steam generation stage,
  • FIG. 7 shows a schematic block diagram of a further exemplary embodiment of a solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation, which comprises a double removal of the heat transfer medium from the steam generation system with bypass around the steam superheating stage for reheating
  • FIG. 8 shows a schematic block diagram of a further embodiment of an indirect-evaporation solar thermal power plant according to the invention, which comprises a triple extraction of the heat transfer medium from the steam generation system, each with a bypass around the steam superheating stage and the steam generation stage for reheating
  • FIG. 9 shows a schematic block diagram of a further exemplary embodiment of a solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation, which comprises a double removal of the heat transfer medium and a reheating to a lower steam temperature than the live steam temperature,
  • Figure 10 is a schematic block diagram of another embodiment of a solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation, comprising a second interim ⁇ rule overheating by removal of the heat carrier medium after the bypass around the steam superheating stage and recycling to the steam generation step,
  • FIG. 11 shows a schematic block diagram of a further exemplary embodiment of a solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation, which comprises a first reheat in a bypass around the steam overheating stage and a second reheat by removal of the heat carrier medium after the bypass around the steam superheating stage and recycling before the preheating stage .
  • FIG. 12 shows a schematic block diagram of a further exemplary embodiment of a solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation, which comprises a bypass around the steam superheating stage and a second reheat by using the heat carrier medium which has been deinterred after the first reheating
  • FIG. 13 shows a schematic block diagram of a further exemplary embodiment of a solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation, which comprises a bypass around the steam superheating stage and a second reheat by using the heat transfer medium and hot heat transfer medium, which were removed after the first reheating
  • FIG. 14 shows a schematic block diagram of a further exemplary embodiment of an indirect-evaporation solar thermal power plant according to the invention, which comprises a bypass around the steam superheating stage and a second intermediate overheating by double removal at a corresponding temperature level,
  • FIG. 15 shows a schematic block diagram of a further embodiment of a solar thermal power plant according to the invention with indirect evaporation, which comprises a bypass around the steam superheating stage and a second reheat by two withdrawals to a corresponding temperature level and use of the removed heat transfer medium after the first reheat.
  • FIG. 1 An embodiment of the basic circuit variant underlying solar thermal power plants with thermal oil as the heat transfer medium in the primary circuit 1, which is the basis of most of the embodiments explained in detail hereinbelow, is shown in FIG.
  • ⁇ is the steam generation system of the secondary circuit in the heat exchange group in a conventional manner from a series ⁇ circuit from the preheating step 11 (or also preheater called), the steam generation stage 12 (or also evaporator ge ⁇ Nannt) and the steam superheating stage 13 (or also called Matterhit ⁇ zer).
  • a reheat 15 is usually installed in order to increase the efficiency of the power plant.
  • the steam secondary circuit 2 comprises a steam turbine system 21, 22, 23, which is connected via a steam line system 18 with the steam superheating stage 13 and is fed in operation with the superheated steam generated therein.
  • the steam turbine system 21, 22, 23 may be comprised of a single steam turbine, wherein for Besse ⁇ ren energy utilization and increasing the efficiency of the usual manner, two or more high-pressure turbines are operated in parallel 21 or double turbines. One, two or more medium-pressure turbines can then be used in series
  • a condenser or a condenser system 20 is connected downstream of the steam turbine system 21, 22, 23 on the steam side in order to condense the steam.
  • the system according to the invention can also have one or more
  • bleed steam can be used, for example, to preheat the feedwater in a feedwater preheating system, etc.
  • the secondary circuit comprises a water conduit system 19 with at least one feedwater tank 40 arranged between the condenser system 20 and the preheating stage, which tank serves to store the feedwater.
  • the water pipe system includes the usual valves, pumps and control units that control the water pipe system 19 and the steam pipe system 18 during operation and in the idle state of the power plant and regulate the steam generation.
  • alternative heat transfer media to thermal oils which require a higher process temperature, such as molten salts, it is advantageous to modify this basic circuit ⁇ connection variant.
  • FIG. 2 Such state-d es system which is particularly adapted to salt melts as ⁇ al terna tive heat transfer medium is shown in FIG. 2
  • the primary circuit two storage tanks are installed 8.9 for the heat transfer medium in the system.
  • the first storage tank 8 is located immediately in front of the solar thermal assembly 5 and serves to store cold heat transfer medium.
  • the second storage tank 9 is arranged after the solar thermal assembly 5 and serves for the intermediate storage of hot heat transfer medium.
  • Each of the storage tanks is followed by a pump 10 for conveying the corresponding amount of heat transfer medium in the operating mode.
  • FIG. 3 A first embodiment to improve the overall efficiency and ⁇ for additional solution to the crystallization problem mentioned above is shown overall in FIG. 3
  • the primary and secondary circuits are basically constructed analogously to the conceivable wiring system shown in FIG.
  • bypass B this bypass
  • more heat energy can be conducted past the steam superheating stage 13 and coupled back into the steam generating stage 12, so that the temperature at the critical points of the primary circuit at the required temperatures, for example above the crystallization temperature, can be set.
  • FIG. 4 shows a second alternative embodiment of the system according to the invention.
  • this bypass guide is a parallel circuit of the steam superheating stage 13 and the Dampferzeu ⁇ supply stage 12.
  • both stages are acted upon by the hot heat transfer medium.
  • the thermal management of the entire system can be individually adapted to the set ⁇ heat transfer medium.
  • the heat management can be significantly improved, especially in a ⁇ set of alternative heat transfer media, such as molten salts or higher boiling thermal oils, resulting in an increase in efficiency of the overall system.
  • the analogue basic interconnection (corresponding to FIG. 2) provides the steam generation stage 12 with a bypass line or a bypass B. This variant is shown in FIG.
  • Interconnection can be particularly critical operating conditions, such as the freezing of the heat transfer medium, which in case of heat membomedien with high melting temperatures can occur can be prevented.
  • This wiring variant can be combined with the two basic wiring variants from the first or second embodiment. That is, both a first bypass Bl may be included around the steam superheating stage 13 and a second bypass B2 around the steam generating stage 12 in the heat exchanger system.
  • a first bypass Bl may be included around the steam superheating stage 13 and a second bypass B2 around the steam generating stage 12 in the heat exchanger system.
  • Such a combination of two bypasses B1, B2 is shown in FIG.
  • a first bypass around the Bl steam superheating stage 13 or a Kochhitzerby- passes
  • a second bypass B2 around the steam generating ⁇ stage 12 or an evaporator bypass
  • Reheating the derived from the high-pressure turbine steam can be used.
  • Various interconnection variants are conceivable here and a few will be explained by way of example for illustrating the invention below with reference to further exemplary embodiments. All Verschal ⁇ processing variants can also be performed in combination with the basic interconnection variants explained above in the first to third embodiments.
  • a first alternative embodiment of such a solar thermal power plant with a bypass for intermediate superheating a removal of the heat transfer medium from the steam generating system at an appropriate temperature level allows an optimized reheatening of the steam.
  • ge shows ⁇ in FIG.
  • the remaining heat of the enthitz ⁇ th heat transfer medium may be optimal for the heating of the feed water, for example in the preheating stage 11 or in the steam generation stage 12 used.
  • the heat transfer medium is introduced into the main mass flow according to the temperature level after the desuperheating in the reheater 32 after the steam overheating stage 13 or after the desuperheating in the reheater 31 after the preheating stage 11.
  • the first intermediate superheat dissipation is conducted in a bypass B around the steam superheating stage 13.
  • the coupling of the superheated heat transfer medium corresponding to the temperature level further improves the thermal management since the energy remaining in the superheated heat transfer medium still remains in another Heat exchanger stage can be introduced.
  • ⁇ by the efficiency of the system can be increased. That the additional piping and the additional heat ⁇ transfer units (heat exchangers) mean higher investment costs, should be taken into account in the planning. Usually, however, these one-time costs are worthwhile due to the increased overall efficiency of the system fast.
  • This interconnection variant can be guided to third embodiments of ⁇ in Kombina ⁇ tion with the above three fundamental bypass variants from the first well, even if they are not explicitly described herein.
  • this interconnection variant is like the set up in front ⁇ forth and represents a further detailing.
  • the efficiency of the plant be further increased. More specifically, in the reheating stage 15 for a first superheating of the steam in the reheater 31, the heat transfer medium is removed after the steam generating stage 12 and coupled after desuperheating again after the preheating stage 11 in the main mass flow.
  • the heat transfer medium is removed before the steam generating stage 12 and after desuperheating after the steam generating stage 12 is again introduced into the main mass flow (first bypass Bl).
  • the overheating to the desired final temperature (third overheating) in the reheater 33 is then carried out again with hot heat transfer medium, which is again coupled after the decarburization before the steam generating stage 12 in the main mass flow (second bypass B2).
  • FIG. 9 shows a preferred embodiment of such a connection variant in the reheat stage 15.
  • a partial flow of the heat transfer medium after the Dampferzeu ⁇ supply stage 12 for a first overheating in the reheater 31 ie in the first heat exchanger system of the reheat stage
  • a partial flow of the heat carrier medium after the Dampfüberhit- is wetting step removed 13 with superheater bypass Bl, the overheating 32 to the desired steam temperature in a second intermediate superheating device for Ü (ie, a second heat exchanger system of the reheating stage 15) is ⁇ sets is.
  • Figures 10 to 15 show further alternative Verschal ⁇ tion variants, all of which is a double reheating to reason. These are based on the basic interconnection variants and the interconnection variants explained above for easy reheat and are further developments and improvements of the conventional double reheat.
  • the variants shown below can be combined with the three basic interconnections from the first to third exemplary embodiments as well as all the interconnections described above for simple intermediate overheating.
  • some preferred interconnection variants are used below to explain the concept according to the invention, without limiting the invention to the examples explicitly listed herein.
  • FIG. 10 shows an embodiment with a double ⁇ th reheating to a lower temperature level in the second reheating stage 17 as Frischdampftem- temperature.
  • a partial flow of the heat transfer medium after the steam superheating stage 13 and the first bypass Bl to the steam superheating stage 13 is taken from the main mass ⁇ stream and fed to the intermediate pressure turbine 22 arranged second reheat stage 17 and coupled according to the temperature level back into the main mass flow. Due to the removal after the steam superheating stage 13, the steam in the second intermediate superheating stage 17 can no longer be overheated to the temperature of the live steam, but only to a lower temperature level.
  • the interconnection of the first reheat stage 16 can be carried out analogously to the preceding exemplary embodiments, for example with a second bypass B2.
  • the interconnection variant shown by way of example in FIG. 10 can be executed in combination with the three basic variations from the first to third exemplary embodiments as well as with the different variants for simple reheat.
  • FIG. 10 Another embodiment is shown in FIG. In contrast to Fig. 10, where the heat transfer medium after the second reheater 32 in the first reheat stage 16 is coupled back into the main mass flow again after the steam generation stage 12 (i.e., in which the reheater 32 bypasses the steam generator 12)
  • FIG. 11 shows another embodiment of a double reheat stage and bypass B circuit variant around the steam superheat stage 13.
  • the steam is heated to a lower temperature level at the second reheat superheat than live steam temperature. This means that the second reheat takes place at a temperature level below the live steam temperature.
  • the same temperature level as the live steam temperature is achieved in the second reheat stage 17 by a double or multiple removal of the heat transfer medium at different temperature levels and a double reheat .
  • step exempla- embodiment the two-fold extraction of the heat transfer medium ⁇ from the main mass flow for the second reheating stage 17 is presented.
  • the heat transfer medium for a first overheating ⁇ wetting in the first reheating device 34 is removed in the second reheating stage 17, for example, after the bypass of the steam superheating stage 13 and enstprechend coupled to the desuperheating the temperature level in the Hauptmas ⁇ senstrom.
  • the final superheat to the ge ⁇ desired temperature level in the second insects enjoyed- wetting device 35 of the second reheating stage 17 is then performed by a withdrawal of steam before the steam superheating stage. 13
  • the second reheater 35 of the second reheat stage 17 is in a bypass around the steam superheat stage 13 and the steam generation stage 12.
  • a Verschaltungsvariation is shown in the double reheat. And here is done by repeated removal of the heat transfer medium at different temperature levels and use of enthitzten heat transfer Medi ⁇ around from the first reheat stage 16 in which two ⁇ th reheat device 35 of the second intermediate Overheating stage a reheat to the same Tem ⁇ perature level (see Bypass B2) as live steam temperature.
  • the desuperheated after the first reheating stage 16 heat transfer medium can be combined with a multiple removal of the heat carrier medium at different temperature levels, and thus further improves the heat management ⁇ the. Both the use of several reverted heat transfer streams after the first desuperheating and several discharges at the corresponding temperature level from the main mass flow are conceivable.
  • figure 15 is the use of egg ⁇ nes enthitzten in the first reheat heat transfer mass flow and the use of two heat transfer partial streams with different temperature levels in the reheating devices 34, 35, 36 of the second reheating stage 17 represented.
  • all combinations of steam generation connection and interconnection of the first reheat explained above are conceivable.
  • a thermal buffer 7 may be installed in the primary circuit and / or secondary circuit, which caches thermal energy in the over-power operation, which can be introduced in the secondary circuit in the secondary circuit again. Also, only a memory 8 or 9 for the heat transfer medium before or after the solar thermal assembly 5 are executed or they can also be omitted entirely.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk mit indirekter Verdampfung, das einen Primärkreis (1) mit einem Wärmeträgermedium-Leitungssystem und mindestens einer solarthermischen Baugruppe zur Erhitzung des Wärmeträgermediums mittels Solarenergie, einen Wasserdampf-Sekundärkreis mit einem Dampfturbinensystem und einen mit dem Dampfturbinensystem (21-23) gekoppelten Generator (3) umfasst. Das erfindungsgemäße System umfasst eine spezielle Verschaltung im Wärmetauscher (11, 12, 13), um den Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks zu verbessern. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung.

Description

Beschreibung
Solarthermisches Kraftwerk mit indirekter Verdampfung und Verfahren zum Betrieb eines solchen solarthermischen Kraftwerks
Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk mit in direkter Verdampfung, das einen Primärkreis mit einem Wärmeträgermedium-Leitungssystem und mindestens einer solarthermi sehen Baugruppe zur Erhitzung des Wärmeträgermediums mittels Solarenergie, einen Wasserdampf-Sekundärkreis mit einem Dampfturbinensystem und einen mit dem Dampfturbinensystem ge koppelten Generator umfasst. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur her¬ kömmlichen Stromerzeugung aus Wasserkraft, Windkraft, Kernkraft oder fossilen Brennstoffen dar. Sie nutzen solare Strahlungsenergie, um elektrische Energie zu erzeugen, und werden zum Beispiel mit Parabolrinnen-Kollektoren, Fresnel- Kollektoren oder Solar-Turmreceivern als solarthermische Bau gruppe ausgeführt.
Solche Kraftwerke bestehen gewöhnlich entweder aus einem sin gulären Arbeitsfluid-KreislaufSystem, in dem ein Arbeitsflui in diesem Kreislauf direkt verdampft wird, oder aber aus ei¬ nem ersten solaren Kraftwerksteil zur Absorption der Sonnenenergie und einem zweiten meist konventionellen Kraftwerksteil mit einem mittels eines Arbeitsfluides angetriebe¬ nen Dampfturbinensystem. Bei dem zweiten Kraftwerkstyp mit zwei getrennten Kreislaufsystemen spricht man von solarthermischen Kraftwerken mit indirekter Verdampfung, da die Sonnenenergie hier lediglich indirekt zur Verdampfung des Ar- beitsfluides eingesetzt wird. Ein herkömmliches solarthermisches Kraftwerk mit indirekter Verdampfung besteht grundsätzlich aus einer solarthermischen Baugruppe, wie zum Beispiel einem Solarfeld aus Parabolrin- nenkollektoren, Fresnel-Kollektoren oder einem Turm-Receiver, in dem ein Wärmeträgermedium erhitzt wird, einer Wärmetauschergruppe in der die Wärmeenergie vom Wärmeträgermedium auf ein Arbeitsfluid im Dampfkreislauf, wie zum Beispiel, einem Wasserdampfkreislauf, übertragen wird, und optional aus einem thermischen Speicher. In der Wärmetauschergruppe wird die Wärmeenergie aus dem Primärkreis üblicherweise in drei Stufen aus Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer an das Arbeitsfluid im Dampfkreislauf abgegeben. Bei solarthermischen Kraftwerken mit indirekter Verdampfung werden als Wärmeträgermedium im Primärkreis bisher Thermoöle, Wasser, Luft oder Salzschmelzen (Molten Salt) eingesetzt, wobei als Arbeitsfluid des Sekun¬ därkreises, dem Dampfkreislauf, meist Wasser zum Einsatz kommt .
Derzeit sind vor allem Parabolrinnenkraftwerke mit Thermoöl als Wärmeträgermedium, Fresnel-Kollektorsolarfeider mit Wasser als Wärmeträgermedium und Turm-Receiver-Kraftwerke mit Salzschmelzen, Luft oder Wasser als Wärmeträgermedium im Einsatz. Bei Thermoölanlagen sind Temperaturen von bis zu 390 °C und bei Salzschmelzen bis zu 550 °C sinnvoll handhabbar, wo¬ bei aber gerade bei Turm-Receivern und Luft als Wärmeträgermedium auch Temperaturen bis 1100 °C handhabbar sind.
Die Überhitzung des Arbeitsfluides im Dampfkreislauf dient bei den solarthermischen Kraftwerken zur Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades und wird beim Betrieb von Dampfturbinen an¬ gewendet, um eine Schädigung der Turbinenschaufeln durch kondensierte Flüssigkeitstropfen, die nach der Dampferzeugungs- stufe im Dampf verbleiben, zu vermeiden. Derzeit wird zur besseren Energieausnützung des erzeugten heißen Wärmeträgermediums bei solarthermischen Kraftwerken häufig mit einem mehrere Dampfturbinen umfassenden Dampfturbinensystem gearbeitet. Hierbei werden insbesondere bei Parabolrinnen- kraftwerken mit Thermoöl als Wärmeträgermedium ein, zwei oder mehrere Zwischenüberhitzungsprozesse in das Dampfleitungssys- tem zwischen die Dampfturbinen mit eingebaut. Bei diesem Zwischenüberhitzungsprozess wird in der Überhitzungsstufe er- zeugter Frischdampf über eine Hochdruckturbine geleitet. Vor Eintritt in die in Dampfrichtung nachgeschaltete Arbeitseinheit, wie z.B. eine Mitteldruck- oder Niederdruckturbine, wird der Dampf dann in einen Zwischenüberhitzer mit ein, zwei oder mehreren Wärmetauschern geleitet, wo er erneut durch heißes, vor der Überhitzungsstufe abgeleitetes Wärmeträgerme¬ dium überhitzt wird.
Die derzeit gängigste Art der Verschaltung der Wärmeüberträ¬ germedien in einem solarthermischen Kraftwerk mit indirekter Verdampfung und einfacher Zwischenüberhitzung ist in Figur 1 dargestellt. Hier wird in der Wärmetauschergruppe das als Wärmeträgermedium eingesetzte Öl vom Solarfeldaustritt zuerst über den Überhitzer, dann über den Verdampfer und am Ende ü- ber den Vorwärmer des Sekundärkreises geleitet. Vor dem Über- hitzer wird zusätzlich ein Teil des heißen Öles abgezweigt und über eine Zwischenüberhitzungsstufe geleitet.
Eine weitere Verschaltungsmöglichkeit ist es, die erste Zwi¬ schenüberhitzungsstufe in zwei Apparaten auszuführen oder den Dampf ein zweites Mal in einer zweiten Zwischenüberhitzungs¬ stufe zwischen zu überhitzen. Mögliche Verschaltungsvarianten für solarthermische Kraftwerke mit indirekter Verdampfung und einfacher oder zweifacher Zwischenüberhitzung sind zum Beispiel in den Siemens-Patentanmeldungen WO 2009034577 A2 bzw. WO 2010054911 AI dargestellt. Alle darin beschriebenen Ver¬ schaltungsvarianten werden unter Bezugnahme auf diese Patentschriften als grundlegende Verschaltungsvarianten für die vorliegende Erfindung hierin mit aufgenommen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Gesamtwirkungsgrad eines solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung sowie den eines Verfahrens zum Betrieb eines so¬ larthermischen Kraftwerks der eingangs genannten Art zu verbessern .
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein solarthermisches
Kraftwerk mit indirekter Verdampfung nach Anspruch 1 und zum anderen durch ein Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung nach Anspruch 10 gelöst .
Ein solarthermisches Kraftwerk mit indirekter Verdampfung, wie es eingangs beschrieben wird, weist hierzu zumindest ei¬ nen Primärkreis mit einem Wärmeträgermedium-Leitungssystem, einen Wasserdampf-Sekundärkreis mit einer Vorwärmstufe, einer Dampferzeugungsstufe, einer Dampfüberhitzungsstufe und einem Dampfturbinensystem und einen mit dem Dampfturbinensystem direkt oder indirekt gekoppelten Generator zur Erzeugung von elektrischer Leistung auf. Im Primärkreis wird zudem mindestens eine solarthermische Baugruppe benötigt, die im Betrieb zur Erhitzung des im Primärkreis geleiteten Wärmeträgermedi¬ ums mittels Solarenergie dient.
Das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk mit indirekter Verdampfung weist im Primärkreis eine Wärmetauschergruppe mit einem Wärmeträgermedium-Leitungssystem zur Übertragung der Wärmeenergie vom Wärmeträgermedium des Primärkreises auf die Dampfüberhitzungsstufe, die Dampferzeugungsstufe und die Vor¬ wärmstufe des Wasserdampf-Sekundärkreises auf. Zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Kraftwerks beinhaltet es eine optimierte Übertragung der Wärmeenergie vom Primärkreis (So¬ larfeldkreis) auf den Sekundärkreis (Wasserdampfkreis ) , indem das Wärmeträgermedium-Leitungssystem der Wärmetauschergruppe mindestens eine Bypass-Leitung um die Dampfüberhitzungsstufe und/oder die Dampferzeugungsstufe des Sekundärkreises auf¬ weist. Unter Bypass ist gemäß der Erfindung ein Rohrleitungs- System zu verstehen, in dem ein Teilstrom des Wärmeträgermediums vor oder nach der Dampfüberhitzungsstufe aus dem Haupt¬ massenstrom des Wärmeträgermediums entnommen, um ein Bauteil bzw. eine Baugruppe bzw. eine Baustufe geleitet und vor der Vorwärmstufe wieder in den Hauptmassenstrom des Wärmeträgermediums eingeleitet wird. Das umströmte Bauteil bzw. die um¬ strömte Baugruppe bzw. Baustufe ist dabei die Dampfüberhit- zungsstufe (bzw. der Dampfüberhitzer) und/oder die Dampferzeugungsstufe (bzw. der Dampferzeuger). Unter die Definition Bypass fällt auch, wenn ein Bauteil bzw. eine Baugruppe bzw. eine Baustufe in diesem Bypass angeordnet ist, solange der Bypass nach dem jeweils umströmten Bauteil bzw. nach der jeweils umströmten Baugruppe bzw. Baustufe, aber auf jeden Fall vor der Vorwärmstufe wieder in den Hauptstrom des Wärmeträgermediums eingeleitet wird.
Diese Verschaltung ermöglicht gerade bei höheren Prozesstemperaturen im Primärkreis (Solarfeld-Kreis) bzw. Sekundärkreis (Wasserdampfkreis ) ein deutliches Potential an einer Optimie¬ rung des Gesamtwirkungsgrades. Insbesondere ist zukünftig und in den hierin beschriebenen Kraftwerkstypen der Einsatz von Salzschmelzen (Molten Salt) oder anderen Wärmeträgermedien wie superkritischem CO2, auf Schwefelverbindungen basierenden Wärmeträgermedien oder höhersiedenden Thermoölen als Wärmeträgermedium im Primärkreis eines solarthermischen Kraftwerks, insbesondere eines mit Parabolrinnen- oder Fresnel- Kollektoren, angedacht. Diese Wärmeträgermedien ermöglichen unter anderem höhere Prozesstemperaturen, aber können z.B. auch höhere Rücklauftemperaturen zu der solarthermischen Baugruppe (Solarfeld) im Primärkreis erfordern, da sie ansonsten beispielsweise auskristallisieren oder zu Verklumpungen führen. Eine recht kritische Stelle im Wärmetauscher ist hierbei die Vorwärmstufe, an der es mit Salzschmelzen in den bisherigen Verschaltungsvarianten wie zum Beispiel in der in Figur 1 gezeigten bekannten Verschaltungsvariante regelmäßig zu Ver¬ klumpungen durch auskristallisierende Wärmeträgermedien gekommen ist. Mit der erfindungsgemäßen Verschaltung des Pri- märkreises in der Wärmetauschergruppe kann die Rücklauftempe- ratur über die kritische Temperatur (Kristallisationstempera¬ tur, Verklumpungstemperatur) angehoben oder eingestellt werden, so dass nunmehr auch Salzschmelzen in solchen Kraftwerkstypen handhabbar sind. Darüber hinaus sind höhere Prozesstemperaturen möglich und man gelangt zu einer Optimierung des Gesamtwirkungsgrades.
Der Wasserdampf-Sekundärkreis umfasst zur Erzeugung von über¬ hitztem Dampf zumindest eine Vorwärmstufe zum Vorwärmen von Speisewasser, eine der Vorwärmstufe nachgeschaltete Dampfer¬ zeugungsstufe zur Erzeugung von Dampf und eine der Dampferzeugungsstufe nachgeschaltete Dampfüberhitzungsstufe zur Ü- berhitzung des Dampfes. Diese drei Stufen sind in der Regel in Serie geschalten, wobei auch mehrere solcher Einheiten zur Erzeugung von überhitztem Dampf im Sekundärkreislauf parallel verschaltet sein können. Das heißt, dass jede einzelne in den Figuren dargestellte Stufe nicht nur einen, sondern auch zwei oder mehrere parallel geführte Vorwärmer bzw. Vorwärmeinhei¬ ten, Dampferzeuger bzw. Dampferzeugungseinheiten und DampfÜberhitzer bzw. Dampfüberhitzungseinheiten beinhalten kann.
Darüber hinaus umfasst der Wasserdampf-Sekundärkreis ein Dampfturbinensystem, welches über ein Dampfleitungssystem mit der Dampfüberhitzungsstufe verbunden ist und im Betrieb mit dem darin erzeugten, überhitzten Dampf gespeist wird. Das Dampfturbinensystem kann aus einer einzelnen Dampfturbine aufgebaut sein, wobei zur besseren Energieausnutzung und zur Erhöhung des Wirkungsgrades gewöhnlicher Weise mehrere Turbi¬ nenmodule eingesetzt werden. In Serie können sich dann ein, zwei oder mehrere Mitteldruckturbinen und/oder Niederdruckturbinen an die Hochdruckturbine (n) anschließen. Diese in Dampfrichtung der Hochdruckturbine (n) nachgeschalteten Mitteldruck- bzw. Niederdruckturbine (n) werden mit dem Dampf aus der bzw. den Hochdruckturbine (n) gespeist, der in einem Zwischenüberhitzer mit ein, zwei oder mehreren Wärmetauschern zwischen überhitzt worden ist. Auch eine Kaskade aus Hoch- druck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen ist zur Erhöhung des Wirkungsgrades bzw. der Gesamtleistung des Kraftwerks zweckmäßig .
In dem Sekundärkreis ist außerdem ein Kondensator bzw. ein Kondensatorsystem dem Dampfturbinensystem abdampfseitig nachgeschaltet, um den Dampf wieder zu kondensieren. Das erfindungsgemäße System kann auch ein oder mehrere Ableitungen für Anzapfdampf umfassen. Dieser Anzapfdampf kann zum Beispiel zum Vorwärmen des Speisewassers in einem Speisewasservorwärm- system etc. eingesetzt werden. Außerdem umfasst der Sekundärkreis ein Wasserleitungssystem mit einem zwischen dem Kondensatorsystem und der Vorwärmstufe angeordneten Speisewassertank, der zur Bevorratung des Speisewassers dient. Ebenso um¬ fasst das Wasserleitungssystem die üblichen Ventile, Pumpen und Steuerungseinheiten, die im Betrieb und im Ruhezustand des Kraftwerks das Wasserleitungssystem bzw. das Dampflei¬ tungssystem kontrollieren und die Dampferzeugung regeln.
Als Speisewasser wird in dem erfindungsgemäßen System üblicher Weise Wasser eingesetzt, aber es können auch andere verdampfbare Arbeitsfluide mit zweckmäßigen Enthalpiewerten verwendet werden. Der Ausdruck „Wasser", „Wasserdampf" bzw.
„Speisewasser" soll nicht einschränkend ausgelegt werden und kann generell durch andere Arbeitsfluide ersetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird im Betrieb in einem Primärkreis ein Wärmeträgermedium mittels einer solarthermischen Baugruppe mittels Solarenergie erwärmt und das erwärmte Wärmeträgermedium in eine Wärmetauschergruppe zur Übertragung der Wärmeenergie vom Wärmeträgermedium auf einen Sekundärkreis geleitet, bevor es abgekühlt wieder in die so¬ larthermische Baugruppe eingespeist wird. In dem Wasserdampf- Sekundärkreis wird in der Wärmetauschergruppe Speisewasser aus einem Speisewassertank in einer Vorwärmstufe vorgewärmt, in einer der Vorwärmstufe nachgeschalteten Dampferzeugungs- stufe Dampf erzeugt und in einer der Dampferzeugungsstufe nachgeschalteten Dampfüberhitzungsstufe der Dampf überhitzt. Danach wird mit dem überhitzten Dampf über ein Dampfleitungs- system ein direkt oder indirekt mit einem Generator gekoppeltes Dampfturbinensystem gespeist. Anschließend wird der aus dem Dampfturbinensystem austretende Dampf in einem Kondensatorsystem zu Wasser kondensiert und zu dem Speisewassertank zurückgeleitet .
Erfindungsgemäß wird ein Teilstrom des Wärmeträgermediums des Primärkreises in der Wärmetauschergruppe über mindestens eine Bypass-Leitung um die Dampfüberhitzungsstufe und/oder die Dampferzeugungsstufe des Sekundärkreises geleitet. Dadurch kann die in der solarthermischen Baugruppe durch das Wärmeträgermedium aufgenommene Wärmeenergie flexibler übertragen werden und damit gezielt mit erhöhten Prozesstemperaturen im Primär- und/oder Sekundärkreis gearbeitet werden.
Ein Kernpunkt der Idee ist es also, einen Teilstrom des hei¬ ßen Wärmeträgermediums im Primärkreis in einer Bypass-Leitung um wenigstens die Dampfüberhitzungsstufe oder die Dampferzeu¬ gungsstufe herum zu leiten. Dies ermöglicht es, die Rücklauf¬ temperatur des Wärmeträgermediums im Primärkreis an kriti¬ schen Stellen, an denen es je nach eingesetztem Wärmeträgermedium zu Auskristallisationen oder Verklumpungen kommen kann, wie der Vorwärmstufe oder dem zur solarthermischen Baugruppe rückläufigen Leitungssystem über der kritischen Temperatur, d.h. insbesondere über der Kristallisationstemperatur, zu halten.
Außerdem kann durch den Bypass das Wärmemanagement bei der Wärmeübertragung vom Primärkreislauf auf den Sekundärkreis¬ lauf und damit der Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens verbes¬ sert werden. Dies wird vor allem durch die optimierte Ver- schaltung der Wärmetauschergruppe (bzw. der Wärmeüberträger bzw. Wärmeüberträgergruppen in der Wärmetauschergruppe) in dem Verfahren sowie durch die dadurch möglich gewordene Erhöhung der allgemeinen Prozesstemperatur erreicht. Die hier dargestellten möglichen Verschaltungen beziehen sich unter anderem auf solarthermische Kraftwerke, die mit Salz¬ schmelzen als Wärmeträgermedium im Primärkreis betrieben werden, da vor allem durch die höheren erreichbaren Prozesstemperaturen in diesen Kraftwerken und Betriebsverfahren ein besseres Optimierungspotential vorliegt. Die Verschaltungen können grundsätzlich aber auch für sämtliche andere Wärmeträgermedien, die als Primärkreismedium in einem solarthermischen Kraftwerk (insbesondere basierend auf Parabolrinnen- technologie, Fresnel-Kollektortechnologie oder Solar- Turmtechnologie) verwendet werden bzw. verwendet werden sol¬ len, angewendet werden. Als zweckmäßige Wärmeträgermedien können zum Beispiel superkritisches CO2, auf Schwefelverbin¬ dungen basierende Wärmeträger, Thermoöle, etc. in diesen Be¬ triebsverfahren eingesetzt werden.
Bei der einfachsten Variante des erfindungsgemäßen Kraftwerks und Verfahrens können die Wärmetauschersysteme einsträngig (1 Wärmetauschergruppe) ausgeführt werden. In alternativen Vari¬ anten können die Wärmetauschersystem auch mehrsträngig (mindestens eine Wärmetauschergruppe parallel geschaltet) ausge¬ führt werden. Außerdem können in weiteren Ausführungsformen einzelne Apparate bzw. Baueinheiten in den Wärmetauschergrup¬ pen einsträngig oder mehrsträngig ausgeführt werden. Ob eine einsträngige oder mehrsträngige Ausführung der Wärmetauschergruppen oder der einzelnen Apparate bzw. Baueinheiten bevorzugt ist, hängt vor allem von der Größe des Kraftwerks und dem Kraftwerktyp an sich ab. Eine mehrsträngige Ausführung der Wärmetauscher bzw. Wärmetauschergruppen ist insbesondere bei sehr großen zu übertragenden Wärmeleistungen zweckmäßig. Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen zum solarthermischen Kraftwerk weitergebildet sein kann und umgekehrt.
In einer Ausführungsform eines solarthermischen Kraftwerks nach der vorliegenden Erfindung kann in der Bypass-Leitung um die Dampfüberhitzungsstufe eine zusätzliche Dampfüberhit- zungsstufe, zum Beispiel eine Zwischenüberhitzungsstufe zur erneuten Überhitzung des aus einer Hochdruckturbine abgelei¬ teten Abdampfes, angeordnet sein. Dieser erneut überhitzte Dampf kann dann in einer Mitteldruck- oder Niederdruckturbi- nenstufe erneut genutzt werden. Alternativ kann in der Bypass-Leitung anstatt oder zusätzlich zu einer zusätzlichen Dampfüberhitzungsstufe auch die Dampferzeugungsstufe angeord¬ net sein. Das heißt, dass in dieser Ausführungsvariante in der Wärmetauschergruppe die Dampfüberhitzungsstufe und die Dampferzeugungsstufe des Sekundärkreises parallel mit heißem Wärmeträgermedium aus dem Primärkreis beaufschlagt werden. Dadurch können Prozessparameter, wie ein Pinchpoint bei verschiedenen Prozessparametern gezielt eingestellt werden. Dies bewirkt im Vergleich mit einer gewöhnlichen Reihenschaltung von Dampfüberhitzungsstufe und Dampferzeugungsstufe, bei der diese Randbedingungen für die Prozessparameter (z.B. den Pinchpoint) nur mit Wirkungsgradverlusten eingehalten werden können, eine Steigerung des Wirkungsgrades. In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks kann in der Bypass- Leitung um die Dampferzeugungsstufe eine zusätzliche Dampf¬ überhitzungsstufe wie zum Beispiel eine Zwischenüberhitzung für den Abdampf aus der Hochdruck- oder Mitteldruckturbinen- stufe angeordnet sein. Diese Verschaltung der Zwischenüber- hitzung bringt den Vorteil, dass zur Vorwärmung des Dampfes zuerst dem Temperaturniveau entsprechend kälteres Wärmeträ- germedium verwendet werden kann und die Überhitzung auf die gewünschte Endtemperatur mit heißem Wärmeträgermedium stattfinden kann. Diese Verschaltung der Zwischenüberhitzung kann in einem Apparat oder in zwei Apparaten ausgeführt werden. Der Vorteil von zwei Apparaten ist, dass geringere Wärmespan¬ nungen auftreten.
Weitere Verschaltungsvarianten zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks können in dem Wärmeträgermedium-Leitungssystem eine Leitung um die Vorwärmstufe herum aufweisen. Diese Leitung um die Vorwärmstufe ist keine Bypass-Leitung im Sinne der vor¬ stehenden Definition, da sie nicht vor der Vorwärmstufe wie¬ der in den Hauptmassenstrom zurückgeführt wird. Optional können in dieser Leitung eine oder mehrere zusätzliche Dampfüb¬ erhitzer bzw. eine Dampfüberhitzungsstufe, zum Beispiel für eine erste oder zweite Zwischenüberhitzung, angeordnet sein. Diese Verschaltung ist daran angepasst, dass zur Vorwärmung des Dampfes in der Zwischenüberhitzungsstufe zuerst ein dem Temperaturniveau entsprechend kälteres Wärmeträgermedium ver¬ wendet wird, bevor die Überhitzung auf die gewünschte Endtem¬ peratur mit heißem Wärmeträgermedium stattfindet. Je nach Temperaturbedarf kann das heiße Wärmeträgermedium direkt vor der Dampfüberhitzungsstufe oder zwischen der Dampfüberhit¬ zungsstufe und der Dampferzeugungsstufe abgezweigt werden.
Bei einer üblichen Zwischenüberhitzung wird das Wärmeträgermedium vor der Dampfüberhitzungsstufe abgeleitet und erst nach der Vorwärmstufe wieder in den Hauptstrom eingekoppelt. Dies ist im Sinne der vorliegenden Erfindung kein Bypass um eine Dampfüberhitzungsstufe oder Dampferzeugungsstufe, da diese nicht vor der Vorwärmstufe wieder in den Hauptstrom zurückgeführt wird. Erfindungsgemäß kann das solarthermische Kraftwerk aber auch ein Wärmeträgermedium-Leitungssystem umfassen, das eine zusätzliche Leitung aufweist, welche um die Dampfüberhitzungsstufe und die Dampferzeugungsstufe herum¬ läuft. Optional kann diese Leitung auch mit um die Vorwärm- stufe herumlaufen, wobei man dann nicht von einem Bypass im sinne der Erfindung spricht. In dieser kann optional eine zu¬ sätzliche Dampfüberhitzungsstufe mit zum Beispiel einem oder mehreren Zwischenüberhitzern angeordnet sein.
Wie in den vorstehenden Ausführungsvarianten schon angesprochen wurde, kann in den erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerken die zusätzliche Dampfüberhitzungsstufe eine Zwi¬ schenüberhitzungsstufe sein. Übliche Zwischenüberhitzungsstu- fen können in erste und zweite Zwischenüberhitzungsstufen eingeteilt werden. Die erste Zwischenüberhitzung dient ge¬ wöhnlicher Weise zur Zwischenüberhitzung des aus der Hochdruckturbine abgeleiteten Dampfes, welcher dann in einer Mittel- oder Niederdruckturbine eingesetzt wird. Die zweite Zwi- schenüberhitzung dient gewöhnlicher Weise zur Überhitzung des aus der Mitteldruckturbine abgeleiteten Dampfes, welcher dann in der Niederdruckturbine genutzt wird. Eine erfindungsgemä¬ ße, bevorzugte Ausgestaltung ist, dass die Zwischenüberhit- zungsstufe zumindest zwei Zwischenüberhitzungsstufen umfasst, die jeweils optional mehrere Zwischenüberhitzungsvorrichtun- gen umfassen können. Je nach Temperaturanforderung für die Zwischenüberhitzung wird hierzu zum Beispiel ein Bypass vor oder nach der Dampfüberhitzungsstufe abgeleitet und in Abhän¬ gigkeit des nach der ersten und/oder zweiten Zwischenüberhit- zungsstufe erreichten Temperaturniveaus wieder vor oder nach der Dampferzeugungsstufe in das Wärmeträgermedium- Leitungssystem (bzw. den Hauptmassenstrom) zurückgeleitet bzw. eingekoppelt. Eine Kombination mit den vorherigen Ver- schaltungsvarianten, zum Beispiel mit einem Bypass, mit oder ohne die Dampferzeugungseinheit, um die Dampfüberhitzungsstu¬ fe oder mit einem Bypass um die Dampferzeugungsstufe, erhöhen die Flexibilität in der Einstellung der notwendigen Prozessparameter und dienen gleichzeitig zur Optimierung des Wärmemanagements. Somit können sie zur Steigerung des Gesamtwir- kungsgrades beitragen. Die in üblichen solarthermischen Kraftwerken eingesetzten thermischen Zwischenspeicher können erfindungsgemäß zusätzlich entweder im Primärkreis und/oder im Sekundärkreis ange¬ ordnet sein. Diese dienen unter anderem zur Speicherung der thermischen Energie im Speicherbetriebsmodus bzw. zur Entnah¬ me von heißem Wärmeträgermedium bzw. überhitztem Dampf im Entnahmebetriebsmodus .
Zur Bevorratung von heißem oder kaltem Wärmeträgermedium, insbesondere in flüssiger Phase, können in einem erfindungs¬ gemäßen solarthermischen Kraftwerk zusätzlich ein oder mehrere Speichertanks für das Wärmeträgermedium stromauf- und/oder stromabwärts der solarthermischen Baugruppe im Primärkreis angeordnet sein.
Zusätzlich kann in einem solchen solarthermischen Kraftwerk die solarthermische Baugruppe ein oder mehrere miteinander verschaltete Sonnenkollektoren oder ein ganzes Feld von Sonnenkollektoren umfassen. Dabei kommen als Sonnenkollektoren alle gewöhnlicher Weise eingesetzten Kollektortypen, wie zum Beispiel Rinnenkollektoren oder Fresnelkollektoren, in Frage Diese können je nach Sonneneinstrahlung und Platzbedarf in Serien- und/oder Reihenschaltung angeordnet sein. Alternativ dazu kann die solarthermische Baugruppe auch aus mehreren Spiegeln und einem Turm-Receiver zum Sammeln der Sonnenenergie aufgebaut sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbei¬ spielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines Grundkonzepts für eine Verschaltungsvariante nach dem Stand der Technik, die herkömmlicher weise für solarthermische Kraftwerke mit Thermoöl als Wärmeträgermedium im Primärkreis eingesetzt wird und die eine Zwischenüberhitzung mit umfasst, L4
Figur 2 ein schematisches Biockdiagramm einer denkbaren einfachen Verschaltungsvariante für solarthermische Kraftwerke, die zwei Speichertanks für Wärmeträgermedien im Primärkreis umfasst ,
Figur 3 ein schematisches Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen
Kraftwerks mit indirekter Verdampfung und einfacher Zwischen überhitzung, bei dem ein Bypass um die Dampfüberhitzungsstuf angeordnet ist,
Figur 4 ein schematisches Blockdiagramm eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung und einfacher Zwischenüberhitzung, bei dem im Bypass um die Dampfüberhitzungsstufe die Dampferzeugungsstufe angeordnet ist,
Figur 5 ein schematisches Blockdiagramm eines dritten alter- nativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solar- thermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung und einfaeher Zwischenüberhitzung, bei dem ein Bypass um die Dampfer- zeugungsstufe angeordnet ist,
Figur 6 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung und einfacher Zwischenüberhitzung, bei dem sowohl ein Bypass um die Dampfüberhitzugsstufe als auch um die Dampferzeugungsstufe angeordnet ist,
Figur 7 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, das eine zweifache Entnahme des Wärmeträgermediums aus dem Dampferzeugungssystem mit Bypass um die Dampfüberhitzungsstufe zur Zwischenüberhit- zung umfasst, Figur 8 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, das eine dreifache Entnahme des Wärmeträgermediums aus dem Dampferzeugungssystem mit jeweils einem Bypass um die Dampfüberhitzungsstufe und die Dampferzeugungsstufe zur Zwischenüberhitzung umfasst,
Figur 9 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, das eine zweifache Entnahme des Wärmeträgermediums und eine Zwischenüberhitzung auf niedrigere Dampftemperatur als Frischdampftemperatur umfasst,
Figur 10 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, das eine zweite Zwi¬ schenüberhitzung durch Entnahme des Wärmeträgermediums nach dem Bypass um die Dampfüberhitzungsstufe und Rückführung nach der Dampferzeugungsstufe umfasst,
Figur 11 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, das eine erste Zwischenüberhitzung in einem Bypass um die Dampfüberhitzungsstu- fe und eine zweite Zwischenüberhitzung durch Entnahme des Wärmeträgermediums nach dem Bypass um die Dampfüberhitzungs- stufe und Rückführung vor der Vorwärmstufe umfasst,
Figur 12 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, das einen Bypass um die Dampfüberhitzungsstufe und eine zweite Zwischenüberhit- zung durch Nutzung des nach der ersten Zwischenüberhitzung enthitzten Wärmeträgermediums umfasst, Figur 13 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, das einen Bypass um die Dampfüberhitzungsstufe und eine zweite Zwischenüberhit- zung durch Nutzung des nach der ersten Zwischenüberhitzung enthitzten Wärmeträgermediums und heißen Wärmeträgermediums umfasst ,
Figur 14 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, das einen Bypass um die Dampfüberhitzungsstufe und eine zweite Zwischenüberhit- zung durch zweifache Entnahme auf entsprechendem Temperaturniveau umfasst,
Figur 15 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, das einen Bypass um die Dampfüberhitzungsstufe und eine zweite Zwischenüberhit- zung durch zweifache Entnahme auf entsprechendem Temperaturniveau und Nutzung des enthitzten Wärmeträgermediums nach der ersten Zwischenüberhitzung umfasst.
Eine den meisten hierin näher erläuterten Ausführungsbeispielen zu Grunde liegende grundsätzliche Verschaltungsvariante für solarthermische Kraftwerke mit Thermoöl als Wärmeträger¬ medium im Primärkreis 1 ist in Figur 1 gezeigt. Hierbei be¬ steht das Dampferzeugungssystem des Sekundärkreises in der Wärmetauschergruppe in herkömmlicher Weise aus einer Reihen¬ schaltung aus der Vorwärmstufe 11 (bzw. auch Vorwärmer genannt), der Dampferzeugungsstufe 12 (bzw. auch Verdampfer ge¬ nannt) und der Dampfüberhitzungsstufe 13 (bzw. auch Überhit¬ zer genannt) . Außerdem wird in der Regel eine Zwischenüber- hitzung 15 eingebaut, um den Wirkungsgrad des Kraftwerks zu erhöhen . Darüber hinaus umfasst der Wasserdampf-Sekundärkreis 2 ein Dampfturbinensystem 21, 22, 23, welches über ein Dampfleitungssystem 18 mit der Dampfüberhitzungsstufe 13 verbunden ist und im Betrieb mit dem darin erzeugten, überhitzten Dampf gespeist wird. Das Dampfturbinensystem 21, 22, 23 kann aus einer einzelnen Dampfturbine aufgebaut sein, wobei zur besse¬ ren Energieausnutzung und zur Erhöhung des Wirkungsgrades gewöhnlicher Weise zwei oder mehrere Hochdruck-Turbinen 21 parallel oder als Doppelturbinen betrieben werden. In Serie können sich dann ein, zwei oder mehrere Mitteldruckturbinen
22 und/oder Niederdruckturbinen 23 an die Hochdruckturbine (n) 21 anschließen. Diese in Dampfrichtung der Hochdruckturbine (n) 21 nachgeschaltete (n) Mitteldruckturbine (n) 22 bzw. Niederdruckturbine (n) 23 werden mit dem Dampf aus der bzw. den Hochdruckturbine (n) 21 gespeist, der in einem Zwischenüberhitzer mit ein, zwei oder mehreren Wärmetauschern zwischen überhitzt worden ist. Auch eine Kaskade aus Hochdruck-, Mit¬ teldruck- und Niederdruckturbinen ist zur Erhöhung des Wirkungsgrades bzw. der Gesamtleistung des Kraftwerks zweckmä- ßig.
In dem Sekundärkreis ist außerdem ein Kondensator bzw. ein Kondensatorsystem 20 dem Dampfturbinensystem 21, 22, 23 ab- dampfseitig nachgeschaltet, um den Dampf wieder zu kondensie- ren. Das erfindungsgemäße System kann auch ein oder mehrere
Ableitungen für Anzapfdampf umfassen. Dieser Anzapfdampf kann zum Beispiel zum Vorwärmen des Speisewassers in einem Speise- wasservorwärmsystem etc. eingesetzt werden. Außerdem umfasst der Sekundärkreis ein Wasserleitungssystem 19 mit mindestens einem zwischen dem Kondensatorsystem 20 und der Vorwärmstufe angeordneten Speisewassertank 40, der zur Bevorratung des Speisewassers dient. Ebenso umfasst das Wasserleitungssystem die üblichen Ventile, Pumpen und Steuerungseinheiten, die im Betrieb und im Ruhezustand des Kraftwerks das Wasserleitungs- System 19 bzw. das Dampfleitungssystem 18 kontrollieren und die Dampferzeugung regeln. Für den Einsatz von alternativen Wärmeträgermedien zu Thermo- ölen, die eine höhere Prozesstemperatur erfordern, wie zum Beispiel Salzschmelzen, ist es vorteilhaft, diese grundsätz¬ liche Verschaltungsvariante zu modifizieren. Ein solches mo- difiziertes System, das insbesondere an Salzschmelzen als al¬ ternatives Wärmeträgermedium angepasst ist, ist in Figur 2 gezeigt. Im Primärkreis sind zwei Speichertanks 8,9 für das Wärmeträgermedium in das System eingebaut. Der erste Speichertank 8 befindet sich unmittelbar vor der solarthermischen Baugruppe 5 und dient der Speicherung von kaltem Wärmeträgermedium. Der zweite Speichertank 9 ist nach der solarthermischen Baugruppe 5 angeordnet und dient zur Zwischenspeiche- rung von heißem Wärmeträgermedium. Beiden Speichertanks nachgeschaltet ist jeweils eine Pumpe 10 zur Förderung der ent- sprechenden Menge an Wärmeträgermedium im Betriebsmodus.
Der Einsatz eines solchen modifizierten, herkömmlichen solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung zeigte jedoch Wirkungsgradeinschränkungen wegen ungünstigen Rücklauf- temperaturen in den Hauptmassenstrom des Primärkreises. Außerdem traten bei Verwendung von Salzschmelzen beispielsweise Kristallisationsprobleme auf, wie zum Beispiel im Wärmeträ¬ germedium-Speichertank 8 oder der diesem Speichertank 8 nachgeschalteten Wärmeträgerpumpe 10. Deshalb ist dieses System weiter verbessert und an die geänderten Prozessbedingungen bei erhöhten Temperaturen angepasst worden. Diese Verbesserungen und Modifikationen werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen detaillierter erläutert, ohne den grundsätzlichen Aufbau des Systems zur indirekten Verdampfung grundle- gend zu verändern.
Ein erstes Ausführungsbeispiel zur Verbesserung des Gesamt¬ wirkungsgrades und zur zusätzlichen Lösung des vorstehend aufgeführten Kristallisationsproblems ist in der Figur 3 ge- zeigt. Der Primär- und Sekundärkreis sind im Grunde analog zu dem in Figur 2 gezeigten denkbaren Verschaltungssystem aufgebaut. Jedoch wird in diesem ersten Ausführungsbeispiel eine Teilmenge an heißem Wärmeträgermedium um die Dampfüberhitzungsstufe 13 (bzw. den Überhitzer) geleitet und nach der Dampfüberhitzungsstufe 13 in den Hauptmassenstrom wieder eingekoppelt. Das heißt, dass ein Teilstrom des Wärmeträgermedi- ums in einem Bypass B um die Dampfüberhitzungsstufe 13 ge¬ führt wird.
Es ist bekannt, dass bei Verwendung von im gesamten Betriebs¬ temperaturbereich einphasigen Wärmeträgermedien im Primär- kreis 1, aufgrund der Verdampfung von Wasser im Sekundärkreis 2, die bei konstanter Temperatur stattfindet (abhängig vom Verdampfungsdruck) , ein Pinchpoint von größer 3K an der Dampferzeugungsstufe 12 (bzw. dem Verdampfer) eingehalten werden sollte. Aufgrund dieser Randbedingung ist es üblich, dass in den herkömmlichen Systemen die Wärmeübertragung bei entsprechend schlechteren Prozessparametern ausgeführt wird, was in einem Wirkungsgradverlust des Gesamtsystems resultiert. Durch das Bypassen der Dampfüberhitzungsstufe 13 kann jedoch eine Verdampfung des Arbeitsfluides in der Dampferzeugungsstufe 12 des Sekundärkreislaufes mit dem gewünschten Pinchpoint ge¬ währleistet werden. Gleichzeitig können durch diese Bypass- führung (Bypass B) die an das jeweilige Wärmeträgermedium an- gepassten Prozessparameter eingehalten werden, so dass durch eine entsprechende Regelung des notwendigen Teilflusses an heißem Wärmeträgermedium eine Verklumpung bzw. Auskristallisation in der Vorwärmstufe 11 oder in den nachgeschalteten Arbeitseinheiten verhindert werden kann. Das heißt, durch den Bypass B kann mehr Wärmeenergie an der Dampfüberhitzungsstufe 13 vorbeigeleitet und in die Dampferzeugungsstufe 12 wieder eingekoppelt werden, so dass die Temperatur an den kritischen Stellen des Primärkreises an die geforderten Temperaturen, z.B. über der Kristallisationstemperatur, eingestellt werden kann . Figur 4 zeigt ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems. Durch den Einbau eines Bypas- ses B um die Dampfüberhitzungsstufe 13 (bzw. um den Überhit- zer) und gleichzeitigem Einbau der Dampferzeugungsstufe 12 (bzw. des Verdampfers) in diesen Bypass können die Prozesspa¬ rameter ebenfalls verbessert werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist diese Bypassführung (Bypass B) eine Parallel- Schaltung der Dampfüberhitzungsstufe 13 und der Dampferzeu¬ gungsstufe 12. Bei der Parallelschaltung von der Dampferzeu- gungsstufe 12 und der Dampfüberhitzungsstufe 13 werden beide Stufen mit dem heißen Wärmeträgermedium beaufschlagt. Insbesondere durch die somit erzielte Erhöhung der Temperatur in der Dampferzeugungsstufe 12 kann der Pinchpoint leichter bei ansonsten gleichen Prozessparametern eingehalten werden. Nebenbei kann das Wärmemanagement des Gesamtsystems an das ein¬ gesetzte Wärmeträgermedium individuell angepasst werden.
Durch diese Parallelschaltung von Dampfüberhitzungsstufe 13 und Dampferzeugungsstufe 12 kann insbesondere bei einem Ein¬ satz von alternativen Wärmeträgermedien, wie Salzschmelzen oder höhersiedenden Thermoölen, das Wärmemanagement deutlich verbessert werden, was in einer Wirkungsgradsteigerung des Gesamtsystems resultiert.
In einem dritten alternativen Ausführungsbeispiel der Ver- schaltung eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks wird bei analoger Grundverschaltung (entsprechend Figur 2) die Dampferzeugungsstufe 12 mit einer Bypassleitung bzw. ei- nem Bypass B versehen. Diese Variante ist in Figur 5 gezeigt.
Neben der Verbesserung des Wirkungsgrades kann durch diese geschickte Verschaltungsvariante zusätzlich die Stabilisie¬ rung des Wärmetauschprozesses bzw. sie Stabilisierung der DampfProduktion sichergestellt werden. Hierbei wird ein Teil¬ massenstrom des Wärmeträgermediums um die Dampferzeugungsstu- fe 12 (bzw. den Verdampfer) geleitet, um bei extremen Betriebsbedingungen, z.B. sehr hohen Temperaturen der Salzschmelze bzw. Verklumpungstemperaturen des Wärmeträgermedi- ums, eine stabile DampfProduktion zu erreichen. Mit dieser
Verschaltung können insbesondere kritische Betriebszustände, wie z.B. das Einfrieren des Wärmeträgermediums, was bei Wär- meträgermedien mit hohen Schmelztemperaturen auftreten kann, verhindert werden.
Diese Verschaltungsvariante kann mit den beiden grundsätzli- chen Verschaltungsvarianten aus dem ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel kombiniert werden. Das heißt, dass sowohl ein erster Bypass Bl um die Dampfüberhitzungsstufe 13 als auch ein zweiter Bypass B2 um die Dampferzeugungsstufe 12 im Wärmetauschersystem umfasst sein können. Eine solche Kombina- tion aus beiden Bypässen Bl, B2 ist in der Figur 6 gezeigt. Hier ist exemplarisch die Kombination eines ersten Bypasses Bl um die Dampfüberhitzungsstufe 13 (bzw. eines Überhitzerby- passes) und eines zweiten Bypasses B2 um die Dampferzeugungs¬ stufe 12 (bzw. eines Verdampferbypasses ) in einem erfindungs- gemäßen solarthermischen Kraftwerk gezeigt.
Zusätzlich zu den vorstehend angeführten Ausführungsbeispie¬ len kann erfindungsgemäß der Bypass um die Dampfüberhitzungs- stufe 13 bzw. Dampferzeugungsstufe 12 nicht nur zur Optimie- rung des Wärmemanagements, sondern nebenbei auch noch zur
Zwischenüberhitzung des aus der Hochdruckturbine abgeleiteten Dampfes genutzt werden. Verschiedene Verschaltungsvarianten sind hier denkbar und ein paar sollen exemplarisch zur Veranschaulichung der Erfindung im Folgenden an Hand von weiteren Ausführungsbeispielen erläutert werden. Sämtliche Verschal¬ tungsvarianten können auch mit den vorstehend in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen erläuterten grundsätzlichen Verschaltungsvarianten in Kombination ausgeführt werden. In einer ersten alternativen Ausführungsform eines solchen solarthermischen Kraftwerks mit einem Bypass zur Zwischen- überhitzung ermöglicht eine Entnahme des Wärmeträgermediums aus dem Dampferzeugungssystem auf entsprechendem Temperaturniveau eine optimierte Zwischenüberhitzung des Dampfes. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel hierfür ist in Figur 7 ge¬ zeigt. Bei dieser Variante wird in der Zwischenüberhitzungs- stufe 15 in einer ersten Zwischenüberhitzungsvorrichtung 31 eine erste Überhitzung mit einem nach der Dampferzeugungsstu- fe 12 entnommenen Wärmeträgermedium durchgeführt. Danach wird in einer zweiten Zwischenüberhitzungsvorrichtung 32 eine zweite Überhitzung mit heißem, vor der Dampfüberhitzungsstufe 13 abgezweigtem Wärmeträgermedium durchgeführt. Der Vorteil einer solchen Verschaltung ist, dass durch die Entnahme auf dem entsprechenden Temperaturniveau nur für die Überhitzung auf die gewünschte Endtemperatur entsprechend hochwertiges (heißes) Wärmeträgermedium verwendet wird.
Je nach Temperaturniveau des enthitzten Wärmeträgermediums wird es nach Überhitzung des Dampfes in der Zwischenüberhit- zungsstufe 15 in den Hauptmassenstrom des Wärmeträgermediums zurückgeführt. Dadurch kann die restliche Wärme des enthitz¬ ten Wärmeträgermediums noch optimal für die Erwärmung des Speisewassers, zum Beispiel in der Vorwärmstufe 11 oder in der Dampferzeugungsstufe 12, genutzt werden. In dem in Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Wärmeträgermedium entsprechend des Temperaturniveaus nach der Enthitzung in der Zwischenüberhitzungsvorrichtung 32 nach der Dampfüberhit- zungsstufe 13 bzw. nach der Enthitzung in der Zwischenüberhitzungsvorrichtung 31 nach der Vorwärmstufe 11 in den Hauptmassenstrom eingeleitet.
Die erste Zwischenüberhitzungsableitung wird also, wie in Figur 7 gezeigt ist, in einem erfindungsgemäßen Bypass B um die Dampfüberhitzungsstufe 13 geleitet, Die dem Temperaturniveau entsprechende Einkopplung des enthitzten Wärmeträgermediums verbessert dabei das Wärmemanagement weiter, da die in dem enthitzten Wärmeträgermedium verbleibende Energie noch in einer weiteren Wärmetauscherstufe eingebracht werden kann. Da¬ durch kann der Wirkungsgrad der Anlage gesteigert werden. Dass die zusätzliche Verrohrung und die zusätzlichen Wärme¬ überträgereinheiten (Wärmetauscher) höhere Investitionskosten bedeuten, sollte bei der Planung mit berücksichtigt werden. Gewöhnlich rentieren sich diese einmaligen Kosten jedoch durch den gesteigerten Gesamtwirkungsgrad der Anlage recht schnell. Diese Verschaltungsvariante kann ebenso in Kombina¬ tion mit den vorstehenden drei grundsätzlichen Bypass- Varianten aus dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel aus¬ geführt werden, auch wenn sie hier nicht explizit beschrieben sind.
Ähnlich wie in dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel kann in dem nächsten alternativen Ausführungsbeispiel, in dem eine dreifache bzw. mehrfache Entnahme des Wärmeträgermediums auf entsprechendem Temperaturniveau umfasst ist, der Gesamt¬ wirkungsgrad noch weiter gesteigert werden (siehe Figur 8) . Grundsätzlich ist dieses Verschaltungsvariante wie die vor¬ hergehende aufgebaut und stellt eine weitere Detaillierung dar. Mit einer weiteren Entnahme auf entsprechendem Tempera- turniveau und entsprechend angepasster Rückleitung des enthitzten Wärmeträgermediums in den Hauptmassenstrom, wie es in Figur 8 gezeigt ist, kann der Wirkungsgrad der Anlage wei¬ ter gesteigert werden. Genauer gesagt wird in der Zwischenüberhitzungsstufe 15 für eine erste Überhitzung des Dampfes in der Zwischenüberhitzungsvorrichtung 31 das Wärmeträgermedium nach der Dampferzeugungsstufe 12 entnommen und nach der Enthitzung wieder nach der Vorwärmstufe 11 in den Hauptmassenstrom eingekoppelt. Für die zweite Überhitzung in der Zwischenüberhitzungsvorrichtung 32 wird das Wärmeträgermedium vor der Dampferzeugungsstufe 12 entnommen und nach Enthitzung nach der Dampferzeugungsstufe 12 wieder in den Hauptmassenstrom eingeleitet (erster Bypass Bl) . Die Überhitzung auf die gewünschte Endtemperatur (dritte Überhitzung) in der Zwischenüberhitzungsvorrichtung 33 wird dann wieder mit heißem Wärmeträgermedium durchgeführt, das nach der Enthitzung wieder vor der Dampferzeugungsstufe 12 in den Hauptmassenstrom eingekoppelt wird (zweiter Bypass B2) .
Durch diese Kaskadierung von Zwischenüberhitzungsvorrichtun- gen 31, 32, 33 kann der Wirkungsgrad der Anlage weiter ge¬ steigert werden, aber auch der bauliche Aufwand und damit die Investitionskosten können sich vergrößern. Diese Kaskadierung kann ebenso entsprechend mit den vorstehend dargestellten drei grundsätzlichen Verschaltungsvarianten aus den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen, d.h. der direkten Bypass- führung um die Dampfüberhitzungsstufe 13 und/oder um die Dampferzeugungsstufe 12 ausgeführt werden. Ebenso ist eine weitere Erhöhung der Anzahl an Entnahmen und entsprechenden Einkopplungen möglich.
Weitere alternative Verschaltungsmöglichkeiten in einem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk mit indirekter Verdampfung ergeben sich dadurch, dass die Dampftemperatur bei der Zwischenüberhitzungsstufe 15 nicht mehr auf Frisch¬ dampftemperaturniveau überhitzt wird, sondern auf eine gerin¬ gere Temperatur. Hierzu kann das Wärmeträgermedium nach der Dampfüberhitzungsstufe 13 und dem Bypass Bl (siehe Figur 9) um die Dampfüberhitzungsstufe (bzw. dem Überhitzerbypass ) aus dem Hautpmassenstrom entnommen und zur Zwischenüberhitzung des Dampfes in der Zwischenüberhitzungsvorrichtung 32 verwendet werden. Nach Enthitzung kann das Wärmeträgermedium wieder entsprechend dem Temperaturniveau an der richtigen Stelle in den Hauptmassenstrom eingekoppelt werden.
In Figur 9 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer sol¬ chen Verschaltungsvariante in der Zwischenüberhitzungsstufe 15 gezeigt. Bei dieser in Figur 9 dargestellten Variante wird ein Teilstrom des Wärmeträgermediums nach der Dampferzeu¬ gungsstufe 12 für eine erste Überhitzung in der Zwischenüberhitzungsvorrichtung 31 (d.h. in dem ersten Wärmetauschersystem der Zwischenüberhitzungsstufe) entnommen. Außerdem wird ein Teilstrom des Wärmeträgermediums nach der Dampfüberhit- zungsstufe 13 mit Überhitzerbypass Bl entnommen, der zur Ü- berhitzung auf die gewünschte Dampftemperatur in einer zweiten Zwischenüberhitzungsvorrichtung 32 (d.h. einem zweiten Wärmetauschersystem der Zwischenüberhitzungsstufe 15) einge¬ setzt wird. Beide enthitzten Massenströme werden entsprechend ihrer Temperaturniveaus wieder in den Hauptmassenstrom zurückgeführt, und zwar gemäß der in Figur 9 exemplarisch ge- zeigten Variante nach der Vorwärmstufe 11 bzw. nach der Dampferzeugungsstufe 12. Hierbei ist die zweite Zwischenüberhit- zungsvorrichtung in einer zweiten Bypassleitung (Bypass B2) angeordnet .
Die Figuren 10 bis 15 zeigen weitere alternative Verschal¬ tungsvarianten, denen allen eine doppelte Zwischenüberhitzung zu Grund liegt. Diese basieren auf den vorstehend erläuterten grundsätzlichen Verschaltungsvarianten und den Verschaltungs- Varianten zur einfachen Zwischenüberhitzung und sind Weiterentwicklungen und Verbesserungen der herkömmlichen doppelten Zwischenüberhitzung . Die im Folgenden dargestellten Varianten können mit den drei grundsätzlichen Verschaltungen aus dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel sowie sämtlichen, vor- stehend erläuterten Verschaltungen zur einfachen Zwischen- überhitzung kombiniert werden. Exemplarisch werden nachstehend einige bevorzugte Verschaltungsvarianten zur Erklärung des erfindungsgemäßen Konzeptes herangezogen, ohne dabei die Erfindung auf die hierin explizit aufgeführten Beispiele zu beschränken.
Die Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer doppel¬ ten Zwischenüberhitzung auf geringeres Temperaturniveau bei der zweiten Zwischenüberhitzungsstufe 17 als Frischdampftem- peratur. Das heißt, dass die zweite Zwischenüberhitzung auf ein unter Frischdampftemperatur liegendes Temperaturniveau erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel wird dem Hauptmassen¬ strom ein Teilstrom des Wärmeträgermediums nach der Dampfüberhitzungsstufe 13 und dem ersten Bypass Bl um die Dampf- überhitzungsstufe 13 entnommen und der nach der Mitteldruckturbine 22 angeordneten zweiten Zwischenüberhitzungsstufe 17 zugeführt und entsprechend dem Temperaturniveau wieder in den Hauptmassenstrom eingekoppelt. Durch die Entnahme nach der Dampfüberhitzungsstufe 13 kann der Dampf in der zweiten Zwi- schenüberhitzungsstufe 17 nicht mehr auf die Temperatur des Frischdampfes zwischen überhitzt werden, sondern nur auf ein geringeres Temperaturniveau. Die Verschaltung der ersten Zwischenüberhitzungsstufe 16 kann analog den vorstehenden Ausführungsbeispielen, zum Beispiel mit einem zweiten Bypass B2, durchgeführt werden. Außerdem kann die in Figur 10 exemplarisch gezeigte Verschaltungsvari- ante in Kombination mit den drei grundsätzlichen Variationen aus dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel als auch mit den verschiedenen Varianten zur einfachen Zwischenüberhitzung ausgeführt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 11 gezeigt. Im Unterschied zu Fig. 10, wo das Wärmeträgermedium nach der zweiten Zwischenüberhitzungsvorrichtung 32 in der ersten Zwischenüberhitzungsstufe 16 in den Hauptmassenstrom wieder nach der Dampferzeugungsstufe 12 eingekoppelt wird (d.h. bei dem die Zwischenüberhitzungsvorrichtung 32 im Bypass um die
Dampfüberhitzungsstufe 13 und die Dampferzeugungsstufe 12 an¬ geordnet ist), wird in Fig. 11 das Wärmeträgermedium vor der Dampferzeugungsstufe 12 wieder in den Hauptmassenstrom zurück geleitet (Bypass B2) . Also befindet sich in dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel die Zwischenüberhitzungsvorrichtung 32 der ersten Zwischenüberhitzungsstufe 16 in einem Bypass B2 um die Dampfüberhitzungsstufe 13. Figur 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Ver- schaltungsvariante mit doppelter Zwischenüberhitzungsstufe und einem Bypass B um die Dampfüberhitzungsstufe 13, bei wel¬ cher der Dampf auf ein geringeres Temperaturniveau bei der zweiten Zwischenüberhitzung als Frischdampftemperatur erhitzt wird. Das heißt, dass die zweite Zwischenüberhitzung auf ein unter Frischdampftemperatur liegendes Temperaturniveau erfolgt. Dies wird durch die Nutzung des nach der ersten Zwischenüberhitzungsstufe 16 enthitzten Wärmeträgermediums für die zweite Zwischenüberhitzungsstufe 17 erreicht. Nach der zweiten Zwischenüberhitzungsstufe 17 wird es dann wieder in den Hauptmassenstrom nach der Vorwärmstufe 11 eingekoppelt. Durch diese Verschaltung kann nur eine deutlich geringere Dampftemperatur als die Frischdampftemperatur in der zweiten Zwischenüberhitzung erreicht werden. Auch diese Variante kann wiederum mit allen vorstehend beschriebenen grundsätzlichen Varianten zur Verschaltung des Dampferzeugungssystems und zur ersten Zwischenüberhitzung kombiniert werden.
In Figur 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die dop¬ pelte Zwischenüberhitzung gezeigt. Bei diesem Ausführungsbei¬ spiel lässt sich durch Nutzung des heißen Wärmeträgermediums für eine weitere Überhitzung in der zweiten Zwischenüberhit- zungsstufe die gewünschte Endtemperatur (z.B. gleiche Tempe¬ ratur wie Frischdampf) erreichen. Hierzu wird die in Figur 12 gezeigte Variante um eine weitere Zwischenüberhitzungsvor- richtung 35 in der zweiten Zwischenüberhitzungsstufe 17 er¬ weitert. Diese Zwischenüberhitzungsvorrichtung 35 wird mit heißem Wärmeträgermedium, das vor der Dampfüberhitzungsstufe 13 aus dem Hauptmassenstrom entnommen wurde, beaufschlagt. Das enthitzte Wärmeträgermedium wird wieder entsprechend sei¬ nes Temperaturniveaus in den Hauptmassenstrom nach der Dampferzeugungsstufe 12 (siehe Bypass B2) eingekoppelt. Diese Va¬ riante kann wiederum mit sämtlichen vorstehend erläuterten Varianten für das Dampferzeugungssystem sowie für die erste Zwischenüberhitzung gekoppelt werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird bei der zweiten Zwischenüberhitzungsstufe 17 durch eine zweifache o- der mehrfache Entnahme des Wärmeträgermediums auf verschiede¬ nen Temperaturniveaus und eine doppelte Zwischenüberhitzung das gleiche Temperaturniveau wie Frischdampftemperatur er¬ reicht. Durch die Nutzung des Wärmeträgermediums auf unter¬ schiedlichen Temperaturniveaus zur zweiten Zwischenüberhit- zung kann der Wärmeaustausch effektiver gestaltet werden. Wie in der in Figur 8 gezeigten Variante (Kaskadierung der Wärmeübertragung durch dreifache bzw. mehrfache Entnahme des Wär¬ meträgermediums auf entsprechendem Temperaturniveau) kann auch bei der zweiten Zwischenüberhitzung der Wärmeaustausch durch dreifache oder mehrfache Entnahme des Wärmeträgermedi- ums auf dem notwendigen Temperaturniveau entsprechend opti¬ miert werden.
Zum Beispiel wird in dem in Figur 14 dargestellten, exempla- rischen Ausführungsbeispiel die zweifache Entnahme des Wärme¬ trägermediums aus dem Hauptmassenstrom für die zweite Zwischenüberhitzungsstufe 17 vorgestellt. Bei der zweifachen Entnahme wird das Wärmeträgermedium für eine erste Überhit¬ zung in der ersten Zwischenüberhitzungsvorrichtung 34 in der zweiten Zwischenüberhitzungsstufe 17 zum Beispiel nach dem Bypass der Dampfüberhitzungsstufe 13 entnommen und nach der Enthitzung enstprechend dem Temperaturniveau in den Hauptmas¬ senstrom eingekoppelt. Die endgültige Überhitzung auf das ge¬ wünschte Temperaturniveau in der zweiten Zwischenüberhit- zungsvorrichtung 35 der zweiten Zwischenüberhitzungsstufe 17 wird dann durch eine Entnahme von Frischdampf vor der Dampfüberhitzungsstufe 13 durchgeführt. Auch hier befindet sich die zweite Zwischenüberhitzungsvorrichtung 35 der zweiten Zwischenüberhitzungsstufe 17 in einem Bypass um die Dampf- überhitzungsstufe 13 und die Dampferzeugungsstufe 12.
Weitere Entnahmen auf entsprechendem Temperaturniveau (wie z.B. dreifache Entnahme) und damit zusätzliche Wärmetauscher sind für die zweite Zwischenüberhitzung ebenso wie für die erste Zwischenüberhitzung denkbar. Die mehrfache Entnahme zur Optimierung der zweiten Zwischenüberhitzung lässt sich mit sämtlichen vorstehend erläuterten grundsätzlichen Verschal- tungsvarianten des Dampferzeugungssystems und sämtlichen Ver- schaltungsvarianten der ersten Zwischenüberhitzung kombinie- ren.
In Figur 15 ist eine Verschaltungsvariation bei der doppelten Zwischenüberhitzung dargestellt. Und zwar erfolgt hier durch mehrfache Entnahme des Wärmeträgermediums auf verschiedenen Temperaturniveaus und Nutzung des enthitzten Wärmeträgermedi¬ ums aus der ersten Zwischenüberhitzungsstufe 16 bei der zwei¬ ten Zwischenüberhitzungsvorrichtung 35 der zweiten Zwischen- überhitzungsstufe eine Zwischenüberhitzung auf gleiches Tem¬ peraturniveau (siehe Bypass B2)wie Frischdampftemperatur . Das nach der ersten Zwischenüberhitzungsstufe 16 enthitzte Wärmeträgermedium (analog der in Figur 12 oder 13 gezeigten Varianten) kann mit einer mehrfachen Entnahme des Wärmeträgermediums auf verschiedenen Temperaturniveaus kombiniert werden und somit das Wärmemanagement weiter verbessert wer¬ den. Es sind sowohl die Nutzung mehrerer enthitzter Wärmeträgerströme nach der ersten Enthitzung als auch mehrere Entnah- men auf entsprechendem Temperaturniveau aus dem Hauptmassenstrom denkbar.
Als ein bevorzugtes Beispiel wird in Figur 15 die Nutzung ei¬ nes in der ersten Zwischenüberhitzung enthitzten Wärmeträger- massenstromes und die Nutzung von zwei Wärmeträger- Teilströmen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus in den ZwischenüberhitZungsvorrichtungen 34, 35, 36 der zweiten Zwischenüberhitzungsstufe 17 dargestellt. Wie bei allen Varian¬ ten sind sämtliche vorstehend erläuterte Kombinationen aus Dampferzeugungsverschaltung und Verschaltung der ersten Zwischenüberhitzung denkbar.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verschal- tungsvariationen für solarthermischen Kraftwerke und Betriebsverfahren hierfür lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Insbesondere sind die einzelnen dargestellten Variatio¬ nen untereinander kombinierbar.
Es sind zum Beispiel Verschaltungsvarianten denkbar, in denen einzelne Wärmetauscherstufen des Sekundärkreises in einer Komponente eines Wärmetauschersystems des Primärkreises ange¬ ordnet sein können, so dass sich eine logische Bypass-Leitung im Sinne der Erfindung ergibt. Zum Beispiel können die Dampf- überhitzungsstufe und eine Zwischenüberhitzungsstufe parallel durch heißes Wärmeträgermedium in einem solchen Wärmetauschersystem erwärmt werden, indem beide parallel von einem Strom aus heißem Wärmeträgermedium umströmt bzw. überströmt werden, obwohl der Wärmeträgermedium-Strom nicht in zwei separaten Rohrleitungssystemen getrennt geführt wird. In diesem Fall ergibt sich eine Art logischer Bypass, in dem ein erster Teil des Wärmeträgermedium-Stroms für die Wärmeübertragung an die Dampferzeugungsstufe und ein zweiter Teil für die Wärme¬ übertragung an die Zwischenüberhitzungsstufe verwendet wer¬ den. Optional können Wärmetauscherstufen mit niedrigerer Temperatur in der gleichen Komponente diesem Strom nachgelagert angeordnet sein.
Außerdem kann zusätzlich im Primärkreis und/oder Sekundärkreis ein thermischer Zwischenspeicher 7 eingebaut sein, der im Überleistungsbetrieb thermische Energie zwischenspeichert, die im Unterleistungsbetrieb wieder in den Sekundärkreislauf eingebracht werden kann. Auch kann lediglich ein Speicher 8 bzw. 9 für das Wärmeträgermedium vor oder nach der solarthermischen Baugruppe 5 ausgeführt werden oder sie können auch ganz weggelassen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Solarthermisches Kraftwerk mit indirekter Verdampfung, umfassend zumindest folgende Komponenten:
- einen Primärkreis (1) mit einem Wärmeträgermedium- Leitungssystem, das mindestens eine solarthermische Bau¬ gruppe (5) zur Erhitzung des Wärmeträgermediums mittels Solarenergie umfasst,
einen Wasserdampf-Sekundärkreis (2) mit zumindest:
- einer Vorwärmstufe (11) zum Vorwärmen von Speisewasser,
- einer der Vorwärmstufe (11) nachgeschalteten Dampferzeu¬ gungsstufe (12) zur Erzeugung von Dampf,
- einer der Dampferzeugungsstufe (12) nachgeschalteten
Dampfüberhitzungsstufe (13) zur Überhitzung des Dampfes, - einem über ein Dampfleitungssystem (18) mit einem Ausgang der Dampfüberhitzungsstufe (13) verbundenen Dampf¬ turbinensystem (21, 22, 23), welches im Betrieb mit dem überhitzten Dampf gespeist wird,
- einem dem Dampfturbinensystem (21, 22, 23) abdampfseitig nachgeschalteten Kondensatorsystem (20) zur Kondensierung des Dampfes, und
- einem Wasserleitungssystem (19) mit einem zwischen dem Kondensatorsystem (20) und der Vorwärmstufe (11) ange¬ ordneten Speisewassertank (40), und
- einen Generator (3) , der direkt oder indirekt mit dem
Dampfturbinensystem (21, 22, 23) gekoppelt ist,
wobei der Primärkreis (1) eine Wärmetauschergruppe mit einem Wärmeträgermedium-Leitungssystem zur Übertragung der Wärmeenergie vom Wärmeträgermedium des Primärkreises (1) auf die Dampfüberhitzungsstufe (13), die Dampferzeugungsstufe (12) und die Vorwärmstufe (11) des Wasserdampf-Sekundärkreises (2) umfasst, welches mindestens eine Bypass-Leitung (Bl, B2, B3) um die Dampfüberhitzungsstufe (13) und/oder die Dampferzeu¬ gungsstufe (12) aufweist, die vor der Vorwärmstufe (11) wie- der in den Hauptmassenstrom des Wärmeträgermedium- Leitungssystems eingeleitet wird.
2. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypass-Leitung um die Dampfüberhit- zungsstufe (13) eine zusätzliche Dampfüberhitzungsstufe (15) und/oder die Dampferzeugungsstufe (12) angeordnet ist.
3. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypass-Leitung um die Dampferzeu¬ gungsstufe (12) eine zusätzliche Dampfüberhitzungsstufe (15) angeordnet ist.
4. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedi¬ um-Leitungssystem eine Leitung um die Vorwärmstufe (11) herum aufweist, in der optional eine zusätzliche Dampfüberhitzungs- stufe (15) angeordnet ist.
5. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedi¬ um-Leitungssystem eine zusätzliche Leitung aufweist, welche um die Dampfüberhitzungsstufe (13) und die Dampferzeugungs¬ stufe (12) herumläuft, in der optional eine zusätzliche
Dampfüberhitzungsstufe (15) angeordnet ist.
6. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Dampfüberhit- zungsstufe zumindest zwei Zwischenüberhitzungsstufen (16, 17umfasst, die jeweils optional mehrere Zwischenüberhitzungs- vorrichtungen (31, 32, 33, 34, 35, 36) umfassen.
7. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, das einen thermischen Zwischenspeicher (7) im Primärkreis (1) und/oder Sekundärkreis (2 ) aufweist.
8. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Primärkreis (1) ein oder mehrere Speichertanks (8, 9) für das Wärmeträgerme- dium stromauf- und/oder stromabwärts der solarthermischen Baugruppe (5) angeordnet sind.
9. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die solarthermische Baugruppe (5) ein oder mehrere oder ein Feld von Sonnenkol¬ lektoren umfasst.
10. Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks mit indirekter Verdampfung, wobei:
- in einem Primärkreis (1) ein Wärmeträgermedium mittels einer solarthermischen Baugruppe (5) mittels Solarenergie er¬ wärmt wird und das erwärmte Wärmeträgermedium in eine Wärme¬ tauschergruppe zur Übertragung der Wärmeenergie vom Wärmeträ- germedium auf einen Sekundärkreis (2) geleitet wird, bevor es abgekühlt wieder in die solarthermische Baugruppe (5) einge¬ speist wird,
- in einem Wasserdampf-Sekundärkreis (2) Speisewasser aus ei¬ nem Speisewassertank (40) in der Wärmetauschergruppe zuerst in einer Vorwärmstufe (11) vorgewärmt , in einer der Vorwärm¬ stufe (11) nachgeschalteten Dampferzeugungsstufe (12) Dampf erzeugt und in einer der Dampferzeugungsstufe (12) nachge¬ schalteten Dampfüberhitzungsstufe (13) der Dampf überhitzt wird, bevor mit dem überhitzten Dampf über ein Dampfleitungs- System (18) ein Dampfturbinensystem (21, 22, 23) gespeist wird, das direkt oder indirekt mit einem Generator (3) gekop¬ pelt ist, und wobei anschließend der aus dem Dampfturbinen¬ system (21, 22, 23) austretende Dampf in einem Kondensatorsystem (20) zu Wasser kondensiert und zu dem Speisewassertank (40) zurückgeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Teilstrom des Wärmeträgermediums des Primärkreises (1) in der Wärmetauschergruppe über mindestens eine Bypass- Leitung um die Dampfüberhitzungsstufe (13) und/oder die Damp- ferzeugungsstufe (12) des Sekundärkreises (2) geleitet und vor der Vorwärmstufe (11) wieder in den Hauptmassenstrom eingespeist wird.
11. Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Wärmeträgermediums in der Bypass-Leitung um die Dampf- überhitzungsstufe (13) durch eine zusätzliche Dampfüberhit- zungsstufe (15) und/oder die Dampferzeugungsstufe (12) gelei¬ tet wird.
12. Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Teilstrom des Wärmeträgermediums in der Bypass-Leitung um die Dampferzeugungsstufe (12) durch eine zusätzliche Dampfüber¬ hitzungsstufe (15) geleitet wird.
13. Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Wärmeträgermediums in einer Leitung um die Vorwärmstufe (11) herum geleitet wird, in der optional eine zusätzliche Dampfüberhitzungsstufe (15) angeordnet ist.
14. Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Teilstrom des Wärmeträgermediums in einer Bypassleitung um die Dampfüberhitzungsstufe (13) und die Dampferzeugungsstufe (12) herum geleitet und vor der Vorwärm¬ stufe wieder in den Hauptmassenstrom eingespeist wird, in der optional eine zusätzliche Dampfüberhitzungsstufe (15) ange¬ ordnet ist.
15. Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Dampfüberhitzungsstufe (15) zur Zwi- schenüberhitzung des aus einer Dampfturbine des Dampfturbi¬ nensystems (21, 22, 23) austretenden Dampfes in einer ersten oder zweiten Zwischenüberhitzungsstufe (16, 17) genutzt wird, bevor es in eine weitere Dampfturbine geleitet wird.
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